新型復合儲能太陽能供熱系統仿真研究

白衛東, 李宗凱, 詹旭東, 李海峰, 邱益陽, 何一堅*

(1.大唐吉林發電有限公司熱力分公司,吉林 長春 130051;2.浙江大學制冷與低溫研究所,浙江 杭州 310027)

0 引言

隨著能源問題越來越受重視,人們致力于研究能源消耗的降低與可再生清潔能源的開發。 在眾多新能源中,太陽能因其清潔、安全、來源穩定、總量充足等優點,一直是開發的熱點。 據統計,我國年平均太陽能輻射量為5 750 MJ/m2,每年獲得的太陽能輻射量為5×106MJ,折合標準煤為2.4×104億t。 我國是太陽能資源最豐富的國家之一,超過67%的國土面積為太陽能有效利用面積。 對于如此豐富的太陽能資源,加大投入將其合理利用是十分有必要的[1]。

對于太陽能供熱來說,目前的應用還主要局限于太陽能熱水系統。 在我國氣候寒冷的北方,建筑供熱能耗占比大,但這些地區太陽能資源也較為豐富,利用太陽能對建筑進行供暖具有良好的應用前景與節能效益。 太陽能除了利用方便,來源充足,清潔無污染等優點,也存在波動性強,能量與用戶熱需求不匹配等缺點。 常規的太陽能供熱系統主要通過蓄熱水箱來實現能量的存儲與釋放,而儲能材料的發展為太陽能供熱系統儲能模塊提供了另外的選擇。 通過在太陽能供熱系統中加入相變儲能模塊,可以有效減少太陽能波動性帶來的能量損耗,提高系統的太陽能保證率,使太陽能供熱與用戶的熱負荷更加匹配[2]。

文獻[3]通過數值模擬分析了套管式相變儲能模塊的特性,提出了計算相變單元溫度場和流體溫度場的數值模型,并在TRNSYS 軟件上開發相應的儲能模型。 該研究結果表明,入口溫度對相變材料的平均溫度和出口溫度有較大的影響,而入口流量對相變單元的影響可忽略不計。

文獻[4]建立了套管式相變儲熱模塊的二維模型,利用FLUENT 軟件對儲能模塊進行數值模擬,分析討論了傳熱性能(有效儲能比)與換熱流體雷諾數和材料填充系數的關系。 結果表明,換熱流體雷諾數與填充系數對有效儲能比存在一定的影響。

本文以新型復合儲能材料為研究重點,通過TRNSYS 軟件,研究分析了不同儲能材料對太陽能供熱系統的系統供熱量、太陽能保證率等性能特性的影響,找尋優于傳統蓄熱水箱的儲能模塊,以解決蓄熱水箱在實際使用過程中存在的問題,如在嚴寒地區無法正常使用、系統太陽能保證率低等,進一步提高儲能型太陽能供熱系統的性能、節能效益或使用范圍。

本文以某典型建筑為例,根據其所在地的氣候參數與建筑的相關參數,發展新型儲能型太陽能供熱系統,并對系統中的主要部件進行設計計算與選型,使其能滿足建筑的供熱需求。 本文通過TRNSYS 軟件對建筑的熱負荷進行模擬,開發出適用于該系統的儲能模塊,從而構建新型儲能太陽能供熱系統仿真模型。 筆者通過系統的模擬仿真,對比、分析其性能特性,得到具有較好發展潛力的新型儲能太陽能供熱系統。

1 建筑負荷

1.1 氣象參數

本文所選建筑位于長春市,按照我國氣候分區劃分,屬于嚴寒C 區,冬季月平均氣溫低于-10 ℃。 同時,長春的太陽能資源較為豐富,比較適合應用太陽能供熱系統。 長春地區的氣候條件與太陽能氣象參數,如表1—2 所示[5-6]。

表2 長春地區的太陽能氣象參數

1.2 供熱負荷模擬計算

本文所選建筑采暖面積為173 m2,作為長春市低能耗建筑示范項目,該建筑選用高效保溫隔熱材料,大大減小了建筑的溫度波動與熱量損耗,降低了建筑在采暖季的建筑熱負荷[7]。 通過 TRNSYS 中TRNBuild 模塊對建筑進行建模,TRNSYS 模型如圖1 所示[8]。 該模型的主要輸出參數有各房間內溫度變化、濕度變化、熱濕負荷變化等,設定建筑室內溫度為20 ℃,人員活動率、建筑內部得熱量、照明率等參數按照已知數據設定。 該模型主要模擬了所選建筑從上一年10 月25 日到下一年4 月10 日的采暖期內熱負荷變化,得到建筑在室外氣候參數影響下熱負荷的逐時變化并輸出,如圖2 所示。 由模擬結果可以知,采暖期內建筑逐時熱負荷以每天為單位進行波動,在整體上存在先上升后下降的趨勢,建筑逐時熱負荷從10 月25 日開始波動上升,在第二年1 月20 日左右達到最大值,之后開始波動下降,4 月的建筑負荷與10 月基本相當。

圖1 用于模擬建筑負荷的TRNSYS 模型

圖2 采暖期內建筑熱負荷逐時變化

2 帶儲能的供熱系統仿真模型構建

2.1 供熱系統原理

文獻[9-11]總結了太陽能-熱泵供熱系統的各種類型,將其分為間接膨脹式太陽能-熱泵系統與直接膨脹式太陽能-熱泵系統兩大類,其中又劃分了并聯式、串聯式等類型,針對不同系統類型與工況提出了多種加熱模式。 為了簡化研究,本文不涉及太陽能制生活熱水流程,采用間接膨脹式太陽能供熱系統,系統原理如圖3 所示。 它主要分為兩個循環水系統,分別為太陽能集熱系統與熱水供熱循環系統。 兩個循環水系統之間按照不同的流程通過換熱器或儲能模塊進行熱量交換,輔助熱源串聯在循環供熱回路上,處于用戶側末端之前,保證了當太陽能熱量不足時,循環水能夠有足夠的熱量對末端用戶進行供熱。

圖3 供熱系統原理

2.2 新型儲能模塊構建

本文根據需要,分析了采用復合相變儲能與固體顯熱儲能兩種新型儲能材料的供熱系統。 儲能模塊采用圓柱套管式結構,儲能材料填充內管(一根換熱流體管道)和外管之間(見圖4)。 根據工作模式的不同,換熱流體管道可分別連接太陽能集熱環路或供熱循環環路,流入熱流體或冷流體,對圓柱套管內儲能材料進行加熱或冷卻,實現能量的存儲與釋放。 所構建的儲能模塊為40 根串聯的套管換熱器,每根套管直徑0.1 m,長1 m,填充儲能材料,內設外徑0.02 m、內徑0.018 m 的換熱管道,內部流動換熱工質。 整套部件總體積約為0.4 m3,蓄熱體積為0.301 44 m3。

圖4 儲能部件結構

系統仿真模型所需的儲能模塊通過TRNSYS 與VC++6.0 軟件創建。 系統通過TRNSYS 軟件創建文件并進行參數設定,輸入參數有冷熱流體的入口溫度與流速,部件的初始溫度;輸出參數為流體出口溫度與流速、儲能模塊的溫度以及提供給循環水的熱量;常數主要為相變材料的相變溫度、導熱系數、潛熱值、比熱容以及儲能模塊的體積等。 參數設定完成后,將儲能模塊文件導出成為C++文件,通過VC++6.0 軟件進行程序的編寫與編譯,最終獲得可用于進行TRNSYS 系統仿真的儲能模塊。

2.3 系統仿真模型構建

本研究所使用的仿真模型存在以下基本假設:忽略集熱循環水與供熱循環水在管路中的散熱;材料物性不隨時間變化。

2.3.1 帶水箱太陽能供熱系統

作為研究對比,所選建筑采用的儲能型太陽能供熱系統使用儲熱水箱完成能量的儲存和釋放,并記錄了實際運行數據。 本文通過TRNSYS 搭建帶水箱的太陽能供熱系統的仿真模型,如圖5 所示[12]。 根據供熱時間對系統進行仿真模擬,運行時間為10 月25日至12 月24 日,氣象參數與建筑負荷參數為該時間內的長春天氣逐時數據與建筑逐時負荷。 其中,統計水箱累計供給供熱循環水的熱量,作為最后的太陽能供熱量。 太陽能集熱循環根據實際情況設置了啟停控制。 當集熱器出口溫度低于水箱內平均溫度或水箱溫度高于80 ℃時,循環泵關閉,太陽能集熱循環停止運行,避免循環水帶走水箱內熱量,增加熱能損耗;反之,則循環水泵開啟,太陽能集熱循環工作,為水箱提供熱量。

圖5 帶水箱的太陽能供熱系統

2.3.2 帶新型儲能的太陽能供熱系統

在其余部件參數與工況不變的情況下,將構建的新型儲能模塊加入供熱系統,儲能模塊與間壁式換熱器串聯,兩個循環環路并聯流經換熱器與儲能模塊,進行換熱。 同時,在系統中設置控制器,使系統分為兩種工作模式:(1)當太陽能充足,太陽能集熱器出口溫度高時,集熱循環水與供熱循環水直接在換熱器處進行換熱,換熱后的熱水流經儲能模塊并對其進行充能,此時供熱循環水不流經儲能模塊;(2)當太陽能不足,太陽能集熱器出口溫度低于供熱循環回水溫度時,集熱循環泵停止工作,此時集熱循環水不流經儲能模塊,供熱循環水流入儲能模塊,吸收熱量后供給用戶。

兩種工作模式中,儲能模塊在同一時間均只有一種流體流入,不僅能滿足儲能模塊結構的要求,還能實現在太陽能充足時,保證用戶供暖需求的同時儲存富余的能量,在太陽能不足時,利用存儲的熱量對用戶供熱。

由于存在輔助熱源保證供水溫度不低于設定溫度,故當儲能模塊能量不足時,可能出現循環水反向加熱儲能模塊的情況。 因此,在計算太陽能供熱量時,假設儲能模塊提供給循環水的熱量為正,循環水提供給儲能模塊的能量為負,計算整個模擬期間的能量總值,最終結果正的數值則代表模擬期間儲能模塊供熱量,與換熱器的供熱量相加得到模擬期間總的太陽能供熱量。

儲能模塊內填充的相變儲能材料從相關文獻中進行選擇,主要為復合相變儲能材料。 該類材料既有相變材料相變潛熱大,蓄熱能力強的優點,又有著較高的導熱率,是良好的儲能元件填充材料。 本文所選取的材料有:石蠟-膨脹石墨[13]、石蠟-石墨烯[14]、肉豆蔻酸-碳納米管[15]。 根據文獻中的材料熱物性等數據對儲能模塊參數進行調整,再針對不同的相變材料分別進行系統的仿真模擬。

另外,系統中所采用的固體儲能材料為水、石墨粉、沙石三者混合形成的沙漿,其主要材料沙石成本低廉,取材方便,加入水與石墨粉后能夠有效提高材料的總體導熱性與比熱容。 在需要考慮儲能模塊成本時不失為一種選擇[16-17]。

采用復合相變儲能模塊或固體顯熱儲能模塊的太陽能供熱系統的仿真模型分別如圖6—7 所示[18-19]。 其中,帶固體顯熱儲能模塊的太陽能供熱系統模型與前者基本相同,主要是對儲能模塊參數進行調整,儲能模塊體積設置為3 m3,相變溫度設置為600 ℃,保證儲能模塊所有充放能行為都在顯熱換熱階段進行。

圖6 采用復合相變儲能的太陽能供熱系統

圖7 采用固體顯熱儲能的太陽能供熱系統

3 仿真結果分析

3.1 不同儲能材料對系統性能的影響

3.1.1 相變儲能材料

文章對于帶相變儲能的太陽能供熱系統,設定供水溫度為40 ℃,對相變儲能材料進行分析,探究不同材料配比對于系統供熱量的影響。

首先是石蠟-膨脹石墨材料,系統仿真結果如表3 所示。 由仿真結果可知,膨脹石墨質量分數為4%～5%時,系統供熱量較大,故系統所選取的石蠟-膨脹石墨材料配比為石蠟95%,膨脹石墨5%。

表3 不同配比下材料熱物性和系統供熱量

其次,獲取其他兩種復合相變材料的熱物性[13-15],進行系統仿真。 系統應用不同相變材料時,仿真結果如表4 所示。

表4 應用不同相變材料時系統仿真結果

3.1.2 固體顯熱儲能材料

對于采用固體顯熱儲能模塊的太陽能供熱系統,按照設計要求完成仿真模型中各部件參數設定,再對不同配比的混合沙漿進行分析,得到對應的物性參數[20-21]與仿真結果,如表5 和圖8 所示。

圖8 不同比例儲能材料的太陽能保證率

表5 不同配比的沙漿物性參數與太陽能保證率

分析上述結果可以發現,系統的太陽能保證率隨著材料石墨粉含量的提高而降低,隨著材料含水量的提高而提高。 在所選取的材料中,使用石墨粉質量分數3%,水質量分數15%的材料,系統太陽能保證率最高。 因為所使用的材料中水具有最高的比熱容,在合適的范圍內,水質量分數越高,儲能材料能存儲的熱量越多,但該配比的材料冰點最高,在溫度很低的冬季,最可能結冰。 故在選取材料配比時應當綜合考慮太陽能保證率與系統防凍要求等。

3.2 帶不同儲能模塊的系統分析

對采用不同儲能模塊的太陽能供熱系統進行仿真模擬和分析。 作為對比,帶水箱的太陽能供熱系統其余部件參數以及仿真時間等條件不變。

3.2.1 不同集熱面積的系統

選取石蠟-膨脹石墨材料,水質量分數6%和石墨粉質量分數5%的混合沙漿,以儲熱水箱為研究對象,以集熱面積為研究變量,分別對集熱面積7～13 m2的工況進行仿真模擬,計算在不同的集熱面積下系統的太陽能供熱量與太陽能保證率的變化情況,得到的結果如表6、圖9 和圖10 所示。

圖9 在不同儲能模塊、集熱面積條件下太陽能供熱量變化曲線

圖10 在不同儲能模塊、集熱面積條件下太陽能保證率變化曲線

表6 在不同儲能模塊、集熱面積條件下太陽能供熱量和太陽能保證率對比

分析數據可知,對于采用不同儲能模塊的系統,提高太陽能集熱面積均可以有效提高系統的太陽能供熱量與太陽能保證率。 同時,采用石蠟-膨脹石墨相變材料的系統,其太陽能供熱量與太陽能保證率在任一集熱面積下,均高于采用混合沙漿或儲熱水箱作為儲能模塊的系統,太陽能保證率高出1.5%～3%,即采用相變儲能模塊可以有效提高太陽能供熱系統的性能。 而采用混合沙漿的系統,其在不同集熱面積下的太陽能供熱量和太陽能保證率,與采用儲熱水箱的系統相近。 因此,混合沙漿可以替代儲熱水箱成為新的儲熱模塊,且基本不影響系統的性能。

3.2.2 不同供暖時間段的系統

在供水溫度為40 ℃,集熱面積為10 m2的工況下,對不同時間內使用不同儲能模塊的系統進行仿真模擬,得到系統太陽能供熱量與太陽能保證率如表7、圖11 和圖12 所示。

圖11 不同時間內不同儲能模塊的太陽能供熱量變化曲線

圖12 不同時間內不同儲能模塊的太陽能保證率變化曲線

表7 不同時間內不同儲能模塊的太陽能供熱量與太陽能保證率對比

分析上述仿真結果,可見采用石蠟-膨脹石墨相變儲能材料的太陽能供熱系統,在前一個月太陽能較為充足的情況下,能夠十分有效地提高系統的太陽能保證率,最高可提升6.2%。 這是由于其優異的蓄熱性能能夠將多余的太陽能熱量存儲起來,有效提高太陽能的利用效率,從而提高系統的太陽能保證率。 而在第二個月,太陽輻射強度較弱,太陽能資源不足,系統的太陽能保證率較低,但還是可以為建筑提供可觀的熱量,共有448.5 kW·h。

對于采用混合沙漿顯熱儲能材料的太陽能供熱系統,其在兩個月份都有一定的供熱能力,其中,10月25 日至11 月24 日系統的太陽能保證率明顯大于11 月25 日至12 月24 日,且在初期10 月25 日至11月14 日優于采用儲熱水箱作為儲能模塊的系統。

3.2.3 單位儲能模塊體積

在集熱面積為10 m2,集熱循環流量為0.45 m3/h,供熱循環流量為0.8 m3/h 的工況下,比較不同系統單位儲能模塊體積的性能,如表8 所示。

比較可得,相變儲能模塊的系統太陽能保證率最高,且模塊體積相比另外兩種明顯減小,僅為其他部件的13.3%,材料造價雖高于固體顯熱模塊,但也遠低于蓄熱水箱,在預算允許的情況下,是最佳選擇;固體顯熱儲能模塊的造價相比其他部件明顯降低,在成本方面競爭力強,但太陽能保證率相較最低。

冬冷夏熱地區的冬季太陽輻照度較寒冷地區和嚴寒地區往往更低,系統提供的太陽能供熱量相對較少,但數量仍然可觀。 冬冷夏熱地區冬季所需供暖負荷較低,系統能保持更高的太陽能保證率。 同時,冬冷夏熱地區的冬季最低溫度較高,儲能模塊所用材料能有更多的選擇。 因此,本文分析的新型復合儲能太陽能供熱系統對于在冬冷夏熱地區有積極的參考價值和良好使用前景。

4 結語

(1)太陽能供熱系統在采暖季能夠有效提供可觀的熱量,相比于單純使用熱泵供暖,結合太陽能供暖的建筑能夠減少22%～35%的采暖能耗,可以有效提高建筑整體的能量利用效率,具有良好的節能效益與發展前景。

(2)加設儲能模塊能夠有效提高太陽能的利用率,使用不同儲能模塊的供熱系統的太陽能保證率均可達到22%以上,供熱量均可達到850 kW·h 以上,降低了太陽能波動性帶來的能量損耗,提高了采暖季節太陽能供熱量,進而提高了太陽能保證率,達到更加良好的節能效益。 同時,在合理范圍內提高太陽集熱器面積可以有效提高系統的太陽能供熱量與太陽能保證率,太陽能保證率可達到30%以上,供熱量可達到1 100 kW·h 以上。

(3)當追求系統性能的最優時,首選是采用復合相變儲能模塊,其能在體積較小的情況下使系統有很好的運行性能,提升了系統節能效益的同時使系統更加緊湊。 在本文所研究的工況下,采用相變儲能模塊的太陽能供熱系統,其太陽能供熱量等方面相比都是最優的。

(4)當考慮系統成本與性價比時,采用混合沙漿進行固體顯熱儲能的系統具備很強的競爭力,其在大大降低儲能模塊成本的同時保證了系統具備較為良好的運行性能,可以有效降低儲能型太陽能供熱系統的投資成本。 相比于采用水箱蓄熱的太陽能供熱系統,其對于低溫環境的適應性顯著提高。 同時,適當提高本文所用顯熱儲能材料的含水率,能夠在一定程度上提高部件的蓄熱性能。